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Photovoltaik
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Das Zeitalter der
fossilen Energieträger wie Kohle, Öl oder Gas
geht in diesem Jahrhundert unwiderruflich zuende. Alle Studien
über die zukünftige Energieversorgung sagen eine
Verknappung dieser Ressourcen spätestens in zwanzig
Jahren voraus.
Nicht die Verknappung dieser Energieträger auch die Unmengen
des Treibhausgases Kohlendioxid, welches bei deren
Verbrennung in die Atmosphäre abgegeben wird, läßt
alle Überlegungen über alternative Energien sinnvoll
erscheinen.
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Eine davon ist die "Photovoltaik" (PV), also die direkte
Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Dies ist eine
besonders umweltfreundliche Art der Energieumwandlung, da Sonnenlicht
als Energiequelle unbegrenzt zur Verfügung steht und im Betrieb
der PV-Anlage weder Lärm- noch Schadstoffemissionen auftreten.
Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem
griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers
Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung
von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen.
Schon 1839 entdeckte Alexander Bequerel den photovoltaischen
Effekt. Er tauchte zwei metallische Platten in eine leitfähige
Flüssigkeit und bemerkte, dass bei Sonnenbestrahlung die
Spannung zwischen den Platten anstieg. Es dauerte dann allerdings
noch über 100 Jahre, bis 1954 in den Bell Laboratorien (USA)
die erste Siliziumsolarzelle hergestellt und damit das Tor zu
dieser faszinierenden Technik endgültig aufgestoßen
wurde. 1998 wurden bereits weltweit Solarzellen mit etwa 140 MW
Leistung ausgeliefert.
Die Menge der Solarenergie reicht aus, um den Weltenergieverbrauch
hundertfach zu decken. (Bisher leben jedoch ca. 2 Milliarden Menschen
völlig ohne elektrische Energie.) Die zur Zeit wohl kostengünstigste
Form ist die Nutzung über die Solarthermie, also die
Brauchwasser- erwärmung für den Haushalt. Aber auch
die Photovoltaik hat spätestens mit dem 100 000 - Dächerprogramm
in Deutschland auf sich aufmerksam gemacht.
Wovon kann man nun ausgehen, wenn man die Sonnenenergie über
die Photovoltaik nutzen will?
Nach einer internationalen Definition kommen auf der Erdoberfläche
im Durchschnitt 1.000 W/m² Sonnenenergie in Form von
Globalstrahlung an. Selbst an trüben Tagen produziert die
Solarzelle noch Strom. (an einem trüben Wintertag sind es
aber nur 20 W/m²)
Da die Sonne nicht immer mit gleicher Intensität in Abhängigkeit
von der Tages- und Jahreszeit sowie vom Standort auf der Erde
scheint, rechnet man z.B. für die Bundesrepublik mit einer
durchschnittlichen Jahressonnenscheindauer von 1.250 h.
Theoretisch müßte man also mit einem einen Quadratmeter
großen Solarmodul eine Jahresstrommenge von 1.250 kWh
erzielen können. - Aber weit gefehlt.
Eine Faustregel sagt, daß man mit einem monokristallinem
Solarmodul soviel Strom im Jahr "erzeugen" würde,
wie der Zahlenwert seiner Leistung. D.h. mit einem 75 W - Modul
erhält man 75 kWh im Jahr. Ein solches Modul ist ca.
0,6 m² groß.
Man kommt also bei einem Quadratmeter auf 125 kWh. Das
sind demzufolge gerade einmal 10% der eingestrahlten Sonnenenergie.
Die Hersteller von monokristallinen Solarmodulen gehen
von einem Wirkungsgrad ihrer Module von 14-17 % aus.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien.
Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme
elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen
Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen
aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den
Vorteil, daß es als zweithäufigstes Element der Erdrinde
in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials
umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert".
Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint,
mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß
(p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß
(n-leitende Halbleiterschicht) imHalbleitermaterial erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet,
entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang.
Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle
An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld
auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten
Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine
elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere
Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher
angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm ´ 10 cm groß (seit
kurzem auch 15 cm ´ 15 cm). Eine durchsichtige Antireflexschicht
dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten
an der Zelloberfläche.
Eigenschaften einer Solarzelle
Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom
Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V.
Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung
abhängig, während die Stromstärke bei höherer
Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen
Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung
von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A .
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Si-Solarzelle
Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle
ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen
zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge
in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.
Unterschiedliche Zelltypen
Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin,
polykristallin und amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt
man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze
werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend
in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren
garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen
Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke
gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden.
Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große
Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese
Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle
zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht
abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen.
Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines
menschlichen Haares: 50-100 µm), so daß die Produktionskosten
allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die
Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter
denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem
im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.
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Angebot. Fachgerechte Bearbeitung und professionelle Beratung
stellen wir Ihnen jederzeit gern zur Verfügung.
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